Afhankelijk van het perspectief dat men kiest, kan een theoretische berekening de waargenomen fysica min of meer nauwkeurig beschrijven. Al in 2015 ontwikkelden Alessandro Toschi van het Institute of Solid State Physics aan de TU Wien en zijn team, binnen een internationale samenwerking, een theoretische methode die kan worden gebruikt om te bepalen hoe onopgeloste vragen in de vaste-stoffysica het beste kunnen worden bekeken.

Sindsdien heeft het onderzoeksteam deze diagnostische methode verder ontwikkeld en recentelijk toegepast op onconventionele supergeleiders, samen met onderzoekers van de University of Michigan in Ann Arbor en het Max Planck Institute for Solid State Research in Stuttgart. De onderzoekers publiceerden onlangs hun resultaten in het wetenschappelijke tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ).

Het idee achter deze methode kan het best worden geïllustreerd aan de hand van een analogie:In de klassieke mechanica zijn er verschillende manieren om de beweging van hemellichamen te beschrijven. Als we bijvoorbeeld de aarde als het centrum van het zonnestelsel beschouwen, wordt de beschrijving al snel verwarrend en ingewikkeld. Maar als we de zon in het midden van het model plaatsen, wordt de theoretische beschrijving veel eleganter en zinvoller.

De situatie is vergelijkbaar met de verschillende concurrerende mechanismen die de fysica van onconventionele supergeleiders aandrijven. Hun elektrische weerstand daalt - net als bij conventionele supergeleiders - abrupt tot nul onder een bepaald temperatuurniveau, wat het mogelijk maakt om elektriciteit zonder verlies te geleiden en op te slaan. Om deze speciale toestand te realiseren, moeten de elektronen van de vaste stof zich in paren binden, ondanks wederzijdse afstoting. Dit puur kwantumfysische fenomeen kan worden veroorzaakt door verschillende mechanismen. Terwijl bij conventionele supergeleiders de interactie tussen de elektronen en de atomaire trillingen een centrale rol speelt, is dit effect bij onconventionele supergeleiders meestal verwaarloosbaar. Hier is de afstotende interactie tussen de elektronen van groter belang.

Theorie en praktijk

Lange tijd werd echter betwist door welk microscopisch mechanisme deze afstoting tussen de elektronen wordt overwonnen en zo paren kunnen worden gevormd - de zogenaamde 'paarlijm', zoals Alessandro Toschi uitlegt. In het bijzonder is de vraag wat voor soort fluctuatie (bijvoorbeeld spin of lading) de elektronenparen bij elkaar houdt in onconventionele supergeleiders. "De collega's van de Universiteit van Michigan wilden daarom hun resultaten analyseren voor een berekening die bedoeld was voor de cuprate-klasse van materialen met behulp van onze diagnostische methode", meldt Toschi. Deze onconventionele supergeleiders, waarvan de kristalstructuur koperanionen bevat, werden al in 1986 ontdekt en hebben sindsdien de fysica voor een raadsel gesteld.

De centrale vraag die de onderzoekers wilden beantwoorden is in welke formulering de fysica van onconventionele supergeleiding het meest transparant is. Dit komt overeen om te identificeren welke fluctuaties verantwoordelijk zijn voor de binding van het elektronenpaar. "We waren eindelijk in staat om aan te tonen dat de (antiferromagnetische) spinfluctuaties degenen zijn achter de fysica van onconventionele supergeleiders. Als je het perspectief verandert en je concentreert op de ladingsfluctuaties, aan de andere kant, krijg je een wazige en in wezen nutteloze weergave van de onderliggende fysica", zegt Alessandro Toschi. Om bij de analogie van het zonnestelsel te blijven:de spinfluctuaties komen dus overeen met dat referentiesysteem waarin de zon in het centrum staat.

Hoewel in de huidige studie alleen cuprates zijn onderzocht, kunnen deze resultaten hoogstwaarschijnlijk ook worden overgedragen naar de materiaalklasse van nikkelaten, die net als cuprates tot de klasse van onconventionele supergeleiders behoren.

Het mysterie is opgelost

Met dit resultaat draagt ​​het onderzoeksteam niet alleen bij aan een beter begrip van het mechanisme van onconventionele supergeleiders. Het besef dat spinfluctuaties de beslissende factor zijn, maakt het ook mogelijk om toekomstige theoretische berekeningen te vereenvoudigen, waardoor nauwkeurigere voorspellingen mogelijk zijn. "Voorheen was onze methode slechts een theoretisch hulpmiddel. Door de praktische verbinding te maken, is de methode naar voren gekomen als een van de belangrijkste toepassingen voor een probleem dat de wetenschappelijke gemeenschap al bijna 40 jaar probeert op te lossen", vat Alessandro Toschi samen . "Onze diagnostische tool geeft eenduidige antwoorden op eerder openstaande vragen."

Maar de samenleving kan ook profiteren van de fundamentele bevindingen - vanuit een perspectiefperspectief. Als supergeleiders in de toekomst bij hogere temperaturen en normale druk kunnen worden gebruikt, kunnen ze bijdragen aan het oplossen van het probleem van energieopslag, wat een beperkende factor is in het gebruik van hernieuwbare energiebronnen. + Verder verkennen

Een venster op atoomschaal naar supergeleiding maakt de weg vrij voor nieuwe kwantummaterialen